Identifying terminal nematode cells Single-cell RNA sequencing provides the power to identify the developmental trajectory of an organism. However, identifying the temporal lineage of cell development can be difficult without large-scale analyses. Packer et al. sequenced more than 80,000 cells from embryos of the roundworm Caenorhabditis elegans to determine the expression of genes directing the development of terminal cell types. Because all somatic cells in a C. elegans individual have been mapped, the authors are able to connect gene expression with cell lineages over time during development, noting stark transitions in some cases. Science , this issue p. eaax1971

Homeostasis of the gut microbiota critically influences host health and aging. Developing genetically engineered probiotics holds great promise as a new therapeutic paradigm to promote healthy aging. Here, through screening 3,983 Escherichia coli mutants, we discovered that 29 bacterial genes, when deleted, increase longevity in the host Caenorhabditis elegans. A dozen of these bacterial mutants also protect the host from age-related progression of tumor growth and amyloid-beta accumulation. Mechanistically, we discovered that five bacterial mutants promote longevity through increased secretion of the polysaccharide colanic acid (CA), which regulates mitochondrial dynamics and unfolded protein response (UPR

Abstract Hox transcription factors play a conserved role in specifying positional identity during animal development, with posterior Hox genes typically repressing the expression of more anterior Hox genes. Here, we dissect the regulation of the posterior Hox genes nob-1 and php-3 in the nematode C. elegans . We show that nob-1 and php-3 are co-expressed in gastrulation-stage embryos in cells that previously expressed the anterior Hox gene ceh-13 . This expression is controlled by several partially redundant transcriptional enhancers. These enhancers require ceh-13 for expression, providing a striking example of an anterior Hox gene positively regulating a posterior Hox gene. Several other regulators also act positively through nob-1/php-3 enhancers, including elt-1/GATA , ceh-20/ceh-40/Pbx , unc-62/Meis , pop-1/TCF , ceh-36/Otx and unc-30/Pitx . We identified defects in both cell position and cell division patterns in ceh-13 and nob-1;php-3 mutants, suggesting that these factors regulate lineage identity in addition to positional identity. Together, our results highlight the complexity and flexibility of Hox gene regulation and function and the ability of developmental transcription factors to regulate different targets in different stages of development. Author Summary Hox genes are critical for head-to-tail patterning during embryonic development in all animals. Here we examine the factors that are necessary to turn on two posterior Hox genes , nob-1 and php-3 , in the nematode worm , C. elegans . We identified six new transcription factors and three enhancer regions of DNA that can activate expression of nob-1/php-3 . Unexpectedly, these activating transcription factors included ceh-13 , an anterior Hox gene, and elt-1 , a regulator of skin development that is briefly expressed in many cells that do not adopt skin fates, including the cells that express nob-1 . Furthermore, the cellular defects we observed in ceh-13 and nob- 1;php-3 mutant embryos indicate that the early embryonic functions of these Hox genes help determine the identity of cells as well as their position within the embryo. Our findings identify new roles for Hox genes in C. elegans and emphasize the ability of transcription factors to contribute to the diversification of cell types and the adoption of specific cell types at different phases of embryonic development.

C. elegans is an animal with few cells, but a striking diversity of cell types. Here, we characterize the molecular basis for their specification by profiling the transcriptomes of 84,625 single embryonic cells. We identify 284 terminal and pre-terminal cell types, mapping most single cell transcriptomes to their exact position in the invariant C. elegans lineage. We use these annotations to perform the first quantitative analysis of the relationship between lineage and the transcriptome for a whole organism. We find that a strong lineage-transcriptome correlation in the early embryo breaks down in the final two cell divisions as cells adopt their terminal fates and that most distinct lineages that produce the same anatomical cell type converge to a homogenous transcriptomic state. Users can explore our data with a graphical application VisCello.

ABSTRACT Dynamic changes in transcription are widespread in developing embryos, where cell cycles are rapid and cell fate decisions need to be made quickly, often before the next cell division. Some fate decisions in the early Caenorhabditis elegans embryo overcome these constraints through the rapid production of high absolute levels of transcription factor mRNAs. Single cell accumulation rates for a small subset of developmental genes are known, but genome-scale measurements are lacking. Furthermore, how different aspects of transcription kinetics are fine-tuned for different genes to achieve the appropriate RNA levels is still being worked out. We describe a novel strategy to analyze single cell RNA sequencing data from the early C. elegans embryo. We estimate the absolute accumulation rates of zygotic genes up to the 16-cell stage and calibrate predicted rates with single molecule transcript imaging. We show that rapid transcript accumulation is common across different cell types and lineages and rates are the highest soon after zygotic transcription begins. High-rate transcription is a characteristic of genes encoding transcription factors with functions in cell fate specification. These genes share common genomic features and are more likely to have undergone recent duplication. We identify core promoter motifs that might drive high absolute RNA accumulation rates. We measured the contributions of core promoter elements to accumulation rate for one rapidly accumulating gene, ceh-51 , which is required for mesoderm development. We find that mutating individual motifs modestly decreases the accumulation rate of ceh-51 mRNA, suggesting multifactorial control of transcript accumulation rates. These results are a step towards estimating absolute transcription kinetics during embryonic fate specification and understanding how transcript dosage drives developmental decisions.

ABSTRACT Homologous recombination is the predominant double-strand DNA break repair pathway in Escherichia coli . A recent report of non-homologous end joining involving the Ku-like Gam protein of bacteriophage Mu (MuGam) has sparked interest in understanding the functions of DNA end-binding proteins in bacteria. MuGam binds to DNA ends, but how it interferes with DNA repair or transcription in live bacteria remains elusive. In E. coli , RNA polymerase secondary channel interactors, such as the Gre factors, play a role in coordinating transcription with DNA replication and break repair. Here we show that MuGam inhibits break repair by slowing down DNA resection and impeding recombination in living cells. Loss of GreA restores break repair in the presence of MuGam by allowing for increased DNA resection due to a potential release of MuGam from the DNA. Using MuGam as a DNA break sensor, we found that breaks are generated when translation is inhibited, more so in the presence of GreA, supporting the model where transcription-translation uncoupling increases transcription/replication collisions. Significantly, this work reveals that modulation of RNA polymerase can impact DNA break repair in presence of a Ku-like protein.

Cell-type-specific 3D organization of the genome is unrecognizable during mitosis. It remains unclear how essential positional information is transmitted through cell division such that a daughter cell recapitulates the spatial genome organization of the parent. Lamina-associated domains (LADs) are regions of repressive heterochromatin positioned at the nuclear periphery that vary by cell type and contribute to cell-specific gene expression. Here we show that histone 3 lysine 9 dimethylation (H3K9me2) specifically marks peripheral heterochromatin and is retained through mitosis when phosphorylation of histone 3 serine 10 shields the H3K9me2 mark allowing for dissociation from the nuclear lamina. The H3K9me2 modification of peripheral heterochromatin ensures that positional information is safeguarded through cell division such that individual LADs are re-established at the nuclear periphery in daughter nuclei. Thus, H3K9me2 acts as a 3D architectural mitotic guidepost. Our data establish a mechanism for epigenetic memory and inheritance of spatial organization of the genome.

The relationship of genotypes to phenotypes can be modified by environmental inputs. Such crucial environmental inputs include metabolic cues derived from microbes living together with animals. Thus the analysis of genetic effects on animals' physiology can be confounded by variations in the metabolic profile of microbes. Caenorhabditis elegans exposed to distinct bacterial strains and species exhibit phenotypes different at cellular, developmental and behavioral levels. Here we reported metabolomic profiles of three Escherichia coli strains, B strain OP50, K-12 strain MG1655, and B-K-12 hybrid strain HB101, and also different mitochondrial and fat storage phenotypes of C. elegans exposed to MG1655 and HB101 versus OP50. We found that these metabolic phenotypes of C. elegans are not correlated with overall metabolic patterning of bacterial strains, but their specific metabolites. In particular, the fat storage phenotype is traced to the betaine level in different bacterial strains. HT115 is another K-12 E. coli strain that is commonly utilized to elicit an RNA interference response, and we showed that C. elegans exposed to OP50 and HT115 exhibit differences in mitochondrial morphology and fat storage levels. We thus generated an RNA interference competent OP50 (iOP50) strain that can robustly and consistently knockdown endogenous C. elegans genes in different tissues. Together, these studies suggest the importance of specific bacterial metabolites in regulating the host's physiology, and provide a tool to prevent confounding effects when analyzing genotype-phenotype interactions under different bacterial backgrounds.